操作系统中的P-V操作（转）
信號(hào)量是最早出現(xiàn)的用來(lái)解決進(jìn)程同步與互斥問(wèn)題的機(jī)制(也可實(shí)現(xiàn)進(jìn)程通信)，包括一個(gè)稱(chēng)為信號(hào)量的變量及對(duì)它進(jìn)行的兩個(gè)原語(yǔ)操作。信號(hào)量為一個(gè)整數(shù)，我們?cè)O(shè)這個(gè)信號(hào)量為：sem。很顯然，我們規(guī)定在sem大于等于零的時(shí)候代表可供并發(fā)進(jìn)程使用的資源實(shí)體數(shù)，sem小于零的時(shí)候，表示正在等待使用臨界區(qū)的進(jìn)程的個(gè)數(shù)。根據(jù)這個(gè)原則，在給信號(hào)量附初值的時(shí)候，我們顯然就要設(shè)初值大于零。
p操作和v操作是不可中斷的程序段，稱(chēng)為原語(yǔ)。P,V原語(yǔ)中P是荷蘭語(yǔ)的Passeren，相當(dāng)于英文的pass, V是荷蘭語(yǔ)的Verhoog,相當(dāng)于英文中的incremnet。
且在P,V原語(yǔ)執(zhí)行期間不允許有中斷的發(fā)生。
對(duì)于具體的實(shí)現(xiàn)，方法非常多，可以用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用軟件實(shí)現(xiàn)。這種信號(hào)量機(jī)制必須有公共內(nèi)存，不能用于分布式操作系統(tǒng)，這是它最大的弱點(diǎn)。
首先應(yīng)弄清PV操作的含義：PV操作由P操作原語(yǔ)和V操作原語(yǔ)組成（原語(yǔ)是不可中斷的過(guò)程），對(duì)信號(hào)量進(jìn)行操作，具體定義如下：
???????????? P（S）：①將信號(hào)量S的值減1，即S=S-1；
????????????????????②如果S>=0，則該進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；否則該進(jìn)程置為等待狀態(tài)，排入等待隊(duì)列。
???????????? V（S）：①將信號(hào)量S的值加1，即S=S+1；
????????????????????②如果S>0，則該進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；否則釋放隊(duì)列中第一個(gè)等待信號(hào)量的進(jìn)程。
PV操作的意義：我們用信號(hào)量及PV操作來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的同步和互斥。PV操作屬于進(jìn)程的低級(jí)通信。
什么是信號(hào)量？信號(hào)量（semaphore）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為一個(gè)值和一個(gè)指針，指針指向等待該信號(hào)量的下一個(gè)進(jìn)程。信號(hào)量的值與相應(yīng)資源的使用情況有關(guān)。當(dāng)它的值大于0時(shí)，表示當(dāng)前可用資源的數(shù)量；當(dāng)它的值小于0時(shí)，其絕對(duì)值表示等待使用該資源的進(jìn)程個(gè)數(shù)。注意，信號(hào)量的值僅能由PV操作來(lái)改變。
一般來(lái)說(shuō)，信號(hào)量S>=0時(shí)，S表示可用資源的數(shù)量。執(zhí)行一次P操作意味著請(qǐng)求分配一個(gè)單位資源，因此S的值減1；
當(dāng)S<0時(shí)，表示已經(jīng)沒(méi)有可用資源，請(qǐng)求者必須等待別的進(jìn)程釋放該類(lèi)資源，它才能運(yùn)行下去。而執(zhí)行一個(gè)V操作意味著釋放一個(gè)單位資源，因此S的值加1；
若S<=0，表示有某些進(jìn)程正在等待該資源，因此要喚醒一個(gè)等待狀態(tài)的進(jìn)程，使之運(yùn)行下去
利用信號(hào)量和PV操作實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥的一般模型是：
進(jìn)程P1?????????????????? 進(jìn)程P2????????????????……?????????????? 進(jìn)程Pn
……???????????????????? ……??????????????????……
P（S）；???????????????? P（S）；???????????????????????????????? P（S）；
臨界區(qū)；???????????????? 臨界區(qū)；???????????????????????????????? 臨界區(qū)；
V（S）；???????????????? V（S）；???????????????????????????????? V（S）；
……???????????????????? ……??????????????????……?????????????? ……
其中信號(hào)量S用于互斥，初值為1
使用PV操作實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥時(shí)應(yīng)該注意的是：
（1）每個(gè)程序中用戶(hù)實(shí)現(xiàn)互斥的P、V操作必須成對(duì)出現(xiàn)，先做P操作，進(jìn)臨界區(qū)，后做V操作，出臨界區(qū)。若有多個(gè)分支，要認(rèn)真檢查其成對(duì)性。
（2）P、V操作應(yīng)分別緊靠臨界區(qū)的頭尾部，臨界區(qū)的代碼應(yīng)盡可能短，不能有死循環(huán)。
（3）互斥信號(hào)量的初值一般為1。
利用信號(hào)量和PV操作實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步
PV操作是典型的同步機(jī)制之一。用一個(gè)信號(hào)量與一個(gè)消息聯(lián)系起來(lái)，當(dāng)信號(hào)量的值為0時(shí)，表示期望的消息尚未產(chǎn)生；當(dāng)信號(hào)量的值非0時(shí)，表示期望的消息已經(jīng)存在。用PV操作實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步時(shí)，調(diào)用P操作測(cè)試消息是否到達(dá)，調(diào)用V操作發(fā)送消息。
利用信號(hào)量和PV操作實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥的一般模型是：
進(jìn)程A????????????????????????????進(jìn)程B
??....????????????????????????????....
L: P(信號(hào)量)???????????????????? L2:V(信號(hào)量）
??....????????????????????????????....
使用PV操作實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步時(shí)應(yīng)該注意的是：
（1）分析進(jìn)程間的制約關(guān)系，確定信號(hào)量種類(lèi)。在保持進(jìn)程間有正確的同步關(guān)系情況下，哪個(gè)進(jìn)程先執(zhí)行，哪些進(jìn)程后執(zhí)行，彼此間通過(guò)什么資源（信號(hào)量）進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而明確要設(shè)置哪些信號(hào)量。
（2）信號(hào)量的初值與相應(yīng)資源的數(shù)量有關(guān)，也與P、V操作在程序代碼中出現(xiàn)的位置有關(guān)。
（3）同一信號(hào)量的P、V操作要成對(duì)出現(xiàn)，但它們分別在不同的進(jìn)程代碼中。
【例1】生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題
在多道程序環(huán)境下，進(jìn)程同步是一個(gè)十分重要又令人感興趣的問(wèn)題，而生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題是其中一個(gè)有代表性的進(jìn)程同步問(wèn)題。下面我們給出了各種情況下的生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題，深入地分析和透徹地理解這個(gè)例子，對(duì)于全面解決操作系統(tǒng)內(nèi)的同步、互斥問(wèn)題將有很大幫助。
（1）一個(gè)生產(chǎn)者，一個(gè)消費(fèi)者，公用一個(gè)緩沖區(qū)。
定義兩個(gè)同步信號(hào)量：
empty——表示緩沖區(qū)是否為空，初值為1。
full——表示緩沖區(qū)中是否為滿(mǎn)，初值為0。
生產(chǎn)者進(jìn)程
while(TRUE){
??????????????生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品;
??????????????P(empty);
??????????????產(chǎn)品送往Buffer;
??????????????V(full);
??????????????}
消費(fèi)者進(jìn)程
while(TRUE){
??????????????P(full);
??????????????從Buffer取出一個(gè)產(chǎn)品;
??????????????V(empty);
??????????????消費(fèi)該產(chǎn)品;
??????????????}
（2）一個(gè)生產(chǎn)者，一個(gè)消費(fèi)者，公用n個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)。
定義兩個(gè)同步信號(hào)量：
empty——表示緩沖區(qū)是否為空，初值為n。
full——表示緩沖區(qū)中是否為滿(mǎn)，初值為0。
???????????? 設(shè)緩沖區(qū)的編號(hào)為1～n&61485;1，定義兩個(gè)指針in和out，分別是生產(chǎn)者進(jìn)程和消費(fèi)者進(jìn)程使用的指針，指向下一個(gè)可用的緩沖區(qū)。
生產(chǎn)者進(jìn)程
while(TRUE){
??????????????生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品;
??????????????P(empty);
??????????????產(chǎn)品送往buffer(in);
??????????????in=(in+1)mod n;
??????????????V(full);
??????????????}
消費(fèi)者進(jìn)程
while(TRUE){
P(full);
????從buffer(out)中取出產(chǎn)品;
????out=(out+1)mod n;
????V(empty);
????消費(fèi)該產(chǎn)品;
????}
（3）一組生產(chǎn)者，一組消費(fèi)者，公用n個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)
???????????? 在這個(gè)問(wèn)題中，不僅生產(chǎn)者與消費(fèi)者之間要同步，而且各個(gè)生產(chǎn)者之間、各個(gè)消費(fèi)者之間還必須互斥地訪(fǎng)問(wèn)緩沖區(qū)。
定義四個(gè)信號(hào)量：
empty——表示緩沖區(qū)是否為空，初值為n。
full——表示緩沖區(qū)中是否為滿(mǎn)，初值為0。
mutex1——生產(chǎn)者之間的互斥信號(hào)量，初值為1。
mutex2——消費(fèi)者之間的互斥信號(hào)量，初值為1。
???????????? 設(shè)緩沖區(qū)的編號(hào)為1～n&61485;1，定義兩個(gè)指針in和out，分別是生產(chǎn)者進(jìn)程和消費(fèi)者進(jìn)程使用的指針，指向下一個(gè)可用的緩沖區(qū)。
生產(chǎn)者進(jìn)程
while(TRUE){
??????????????生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品;
??????????????P(empty);
??????????????P(mutex1);
??????????????產(chǎn)品送往buffer(in);
??????????????in=(in+1)mod n;
??????????????V(mutex1);
??????????????V(full);
??????????????}
消費(fèi)者進(jìn)程
while(TRUE){
P(full);
????P(mutex2);
????從buffer(out)中取出產(chǎn)品;
????out=(out+1)mod n;
????V(mutex2);
????V(empty);
????消費(fèi)該產(chǎn)品;
????}
需要注意的是無(wú)論在生產(chǎn)者進(jìn)程中還是在消費(fèi)者進(jìn)程中，兩個(gè)P操作的次序不能顛倒。應(yīng)先執(zhí)行同步信號(hào)量的P操作，然后再執(zhí)行互斥信號(hào)量的P操作，否則可能造成進(jìn)程死鎖。
【例2】桌上有一空盤(pán)，允許存放一只水果。爸爸可向盤(pán)中放蘋(píng)果，也可向盤(pán)中放桔子，兒子專(zhuān)等吃盤(pán)中的桔子，女兒專(zhuān)等吃盤(pán)中的蘋(píng)果。規(guī)定當(dāng)盤(pán)空時(shí)一次只能放一只水果供吃者取用，請(qǐng)用P、V原語(yǔ)實(shí)現(xiàn)爸爸、兒子、女兒三個(gè)并發(fā)進(jìn)程的同步。
分析在本題中，爸爸、兒子、女兒共用一個(gè)盤(pán)子，盤(pán)中一次只能放一個(gè)水果。當(dāng)盤(pán)子為空時(shí)，爸爸可將一個(gè)水果放入果盤(pán)中。若放入果盤(pán)中的是桔子，則允許兒子吃，女兒必須等待；若放入果盤(pán)中的是蘋(píng)果，則允許女兒吃，兒子必須等待。本題實(shí)際上是生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題的一種變形。這里，生產(chǎn)者放入緩沖區(qū)的產(chǎn)品有兩類(lèi)，消費(fèi)者也有兩類(lèi)，每類(lèi)消費(fèi)者只消費(fèi)其中固定的一類(lèi)產(chǎn)品。
???????????? 解：在本題中，應(yīng)設(shè)置三個(gè)信號(hào)量S、So、Sa，信號(hào)量S表示盤(pán)子是否為空，其初值為l；信號(hào)量So表示盤(pán)中是否有桔子，其初值為0；信號(hào)量Sa表示盤(pán)中是否有蘋(píng)果，其初值為0。同步描述如下：
int S＝1;
int Sa＝0;
int So＝0;
?????????????? main()
?????????????? {
???????????????? cobegin
???????????????????? father();??????????????
???????????????????? son();????????????????
???????????????????? daughter();????????????
???????????????? coend
???????????? }
???????????? father()
???????????? {
???????????????? while(1)
?????????????????? {
???????????????????? P(S);
???????????????????? 將水果放入盤(pán)中;
???????????????????? if（放入的是桔子）V(So);
???????????????????? else?????????? V(Sa);
????????????????????}
??????????????}
???????????? son()
???????????? {
???????????????? while(1)
?????????????????? {
??????????????????????P(So);
??????????????????????從盤(pán)中取出桔子;
??????????????????????V(S);
??????????????????????吃桔子;
????????????????????}
???????????? }
???????????? daughter()
???????????? {
??????????????????while(1)
???????????????????? {
?????????????????????? P(Sa);
?????????????????????? 從盤(pán)中取出蘋(píng)果;
?????????????????????? V(S);
?????????????????????? 吃蘋(píng)果;
????????????????????}
???????????? }
例題3 設(shè)公交車(chē)上,司機(jī)和售票員的活動(dòng)如下：司機(jī);啟動(dòng)車(chē)輛;正常行使,到站停車(chē). 售票員;關(guān)車(chē)門(mén),售票 開(kāi)車(chē)門(mén). 在汽車(chē)不斷到站 停車(chē)行駛過(guò)程中這兩個(gè)活動(dòng)有什么同步關(guān)系? 用信號(hào)量和pv操作實(shí)現(xiàn)。
設(shè)信號(hào)量為s1(是否開(kāi)車(chē))和s2(是否停車(chē)),s1=1,s2=0;
司機(jī)進(jìn)程：??????????????????????售票員進(jìn)程：
begin?????????????????????????? begin
L1:???????????????????????????? L2:
P(S1);??????????????????????????關(guān)閉車(chē)門(mén)；
啟動(dòng)車(chē)輛；??????????????????????V(s1);??
正常行駛；??????????????????????售票；
V(s2）；????????????????????????P(s2);
goto L1;????????????????????????開(kāi)車(chē)門(mén)；
end；?????????????????????????? goto L2;
????????????????????????????????end；
思考題：
四個(gè)進(jìn)程A、B、C、D都要讀一個(gè)共享文件F，系統(tǒng)允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)讀文件F。但限制是進(jìn)程A和進(jìn)程C不能同時(shí)讀文件F，進(jìn)程B和進(jìn)程D也不能同時(shí)讀文件F。為了使這四個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行時(shí)能按系統(tǒng)要求使用文件，現(xiàn)用PV操作進(jìn)行管理，請(qǐng)回答下面的問(wèn)題：
（1）應(yīng)定義的信號(hào)量及初值：???????????????????????????? 。
（2）在下列的程序中填上適當(dāng)?shù)腜、V操作，以保證它們能正確并發(fā)工作：
?? A()???????????? B()????????????C()????????????????D()
??{??????????????{?????????????? {??????????????????{
?? [1];????????????[3];?????????? [5];?????????????? [7];
?? read F;???????? read F;????????read F;????????????read F;
?? [2];????????????[4];???????? [6];???????????????? [8];
?? }??????????????}??????????????}?????????????????? }
思考題解答：
（1）定義二個(gè)信號(hào)量S1、S2，初值均為1，即：S1=1，S2=1。其中進(jìn)程A和C使用信號(hào)量S1，進(jìn)程B和D使用信號(hào)量S2。
（2）從[1]到[8]分別為：P(S1) V(S1) P(S2) V(S2) P(S1) V(S1) P(S2) V(S2)
信號(hào)量、PV操作是解決進(jìn)程間的同步與互斥問(wèn)題的。
★???? 做題時(shí)尤其要注意隱藏的同步、互斥問(wèn)題。這些問(wèn)題通常可以歸入生產(chǎn)者－消費(fèi)者問(wèn)題和閱讀者－寫(xiě)入者問(wèn)題。
★?????PV操作一定是成對(duì)出現(xiàn)的，但是這不意味著它會(huì)在一個(gè)進(jìn)程內(nèi)成對(duì)出現(xiàn)。
★???? 在互斥關(guān)系中，PV操作一定是在一個(gè)進(jìn)程內(nèi)成對(duì)出現(xiàn)。而且，信號(hào)一定大于0,具體多少視情況而定。而對(duì)于同步關(guān)系，則一對(duì)PV操作在兩個(gè)進(jìn)程或者更多的進(jìn)程中出現(xiàn)。
★???? 對(duì)于同步關(guān)系，信號(hào)量可能為0，也可能不為0；用于同步的信號(hào)個(gè)數(shù)可能1個(gè)，也可能是多個(gè)。
★???? 對(duì)信號(hào)量為1的，應(yīng)該先執(zhí)行V操作。
★???? 在生產(chǎn)者－消費(fèi)者問(wèn)題中，要設(shè)置三個(gè)信號(hào)量：empty－空閑的緩存區(qū)數(shù)量，初值為n；full－已填充的緩存區(qū)數(shù)量，初值為0；mutex－保證只有一個(gè)進(jìn)程在寫(xiě)入緩存區(qū)，初值為1。
?★???? 在閱讀者－寫(xiě)入者問(wèn)題中，設(shè)置兩個(gè)信號(hào)量：信號(hào)量access－控制寫(xiě)入互斥，初值為1；信號(hào)量rc－控制對(duì)共享變量ReadCount（讀者統(tǒng)計(jì)值）的互斥訪(fǎng)問(wèn)。
轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/Quincy-yang/p/9179601.html
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的操作系统中的P-V操作（转）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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